Wykres Sankeya

Twórca wykresu
i pierwsze dzieło

Matthew H. Sankey
( 1853 – 1925 , Irlandia )

 

Wykres Sankeya (wykres strumieniowy) – graficzna, poglądowa ilustracja np. bilansu materiałowego (bilans mas ) lub bilansu energetycznego, stosowany np. w technice , w czasie projektowania technologicznych procesów i operacji jednostkowych oraz złożonych procesów technologicznych .

Jest stosowany również w czasie prezentowania informacji o procesach życiowych na różnych poziomach organizacji . Analizowany układ ( złożony system biotyczny lub abiotyczny) jest traktowany jak układ termodynamiczny , w którym obowiązuje zasada zachowania energii i prawo zachowania masy . Na wykresach wyodrębnia się części systemu (bloki), które są łączone pasmami lub strzałkami wskazującymi kierunek przepływu masy i energii oraz określającymi wielkości strumieni (proporcjonalne do szerokości połączeń bloków).

Matthew H. Sankey i poprzednicy

Straty w ludziach i temperatura w czasie rosyjskiej kampanii Napoleona (1812) według Charlesa J. Minarda (1869)

Kapitan Matthew H. Sankey ( 1853 – 1925 ) był irlandzkim inżynierem mechanikiem i kapitanem w Corps of Royal Engineers, gdzie prowadził badania zmierzające do zwiększenia sprawności silników parowych . Był członkiem Institution of Civil Engineers, a w latach 1920–1921 – prezesem brytyjskiej Institution of Mechanical Engineers. Jego artykuł na temat sprawności silników (The Thermal Efficiency of Steam Engines), w którym zostały zamieszczone wykresy strumieniowe, opublikowano w materiałach Institution of Civil Engineers w 1898 roku.

Według niektórych źródeł twórcą wykresu strumieniowego był Charles J. Minard lub Henry D. Harness. Ch. Minard sporządził w 1869 roku podobny wykres, prezentujący zmiany liczebności armii Napoleona w czasie inwazji na Rosję (1812) . Wcześniej, już w 1837 roku, w analogiczny sposób H. Harness (inżynier z Irish Railway Commissioners i porucznik w Corps of Royal Engineers) przedstawił, na mapie Hrabstwa Wicklow , informacje o liczbie osób podróżujących kolejami.

Przykłady zastosowań wykresu Sankeya

Współczesne zastosowania wykresów Sankeya nie ograniczają się do obszaru techniki i technologii. Różna jest również skala systemów, których dotyczą – od mikroskopowych układów biologicznych (np. przemiana materii w mikroorganizmach) do skali globalnej i większej (np. wymiana energii między Ziemią i jej otoczeniem).

Procesy technologiczne

Liczne zastosowania wykresów Sankeya w technologii i inżynierii procesowej ilustrują przykłady dotyczące np. badań energetycznej sprawności:

• silnika samochodu Renault (Riedler 1911),
• wytwórni cementu (Schott 1954),

Wykres Sankeya dla produkcji KClO₃
(źródło: Józef Kępiński , „Technologia chloru i związków chloru”)

• produkcji żelaza i stali (Reichardt 1937, Warczewski 1937),
• wytwórni chloranu potasu (KClO₃ ; Kępiński 1963).

Chloran potasu jest otrzymywany z chlorku potasu (KCl) metodą elektrochemiczną. Kolejnymi operacjami jednostkowymi są w tym przypadku:

• przygotowanie roztworu do elektrolizy :
  • rozpuszczanie soli,
  • oddzielanie zanieczyszczeń ( sedymentacja szlamów),
  • wprowadzanie dodatków, m.in. kwasu solnego (HCl) i dichromianu potasu (K₂Cr₂O₇),
• elektroliza,
• wyodrębnianie produktu z roztworu po elektrolizie:
  • zatężanie roztworu chloranu,
  • krystalizacja kryształów „czarnych”,
  • filtracja i odwirowywanie kryształów „czarnych”,
  • „bielenie” kryształów ( rafinacja chemiczna),
  • krystalizacja kryształów „białych”,
  • odwirowywanie kryształów „białych”,
  • suszenie kryształów, np. w suszarkach próżniowych,
  • rozdrabnianie produktu, np w zgniatarkach,
  • pakowanie i magazynowanie produktu gotowego .

Na wykresie Sankeya zamieszcza się np. informacje o masie roztworów lub zawiesin, które muszą być przemieszczane do kolejnych węzłów instalacji projektowanej do wytwarzania określonej masy chloranu. Wykres ułatwia np. wstępne, orientacyjne oszacowanie wielkości niezbędnych urządzeń i wydajności pomp itp.

Schemat technologiczny procesu produkcji chloranu potasu (KClO₃)
z chlorku potasu (KCl) metodą elektrochemiczną
(źródło: Józef Kępiński , „Technologia chloru i związków chloru”)

Energetyka organizmów żywych i ekosystemów

Przepływy energii i masy w ekosystemach
Przykłady

Obieg azotu w przyrodzie

 

Wykresy Sankeya są stosowane do prezentacji przepływów masy i energii w ekologii , będącej (zgodnie z koncepcją Eugene Oduma , 1913–2002), nauką o strukturze i działaniu systemu nazywanego „przyrodą ożywioną”. Strumienie masy i energii przepływają między wyodrębnionymi układami biotycznymi i ich otoczeniem nieożywionym lub między różnymi układami biotycznymi. Zależnie od obszaru wykonywanych badań ekologicznych (np. autekologia , populacjologia , synekologia ) bloki na wykresach mogą oznaczać, m.in.:

• pojedyncze organizmy , wymieniające masę i energię z otoczeniem,
• populacje , współistniejące z innymi populacjami w ekosystemie ,
• biocenozy , znajdujące się w stanie dynamicznej równowagi z ich otoczeniem,
• organizmy, występujące w określonym ekosystemie, biotopie lub na Ziemi, charakteryzujące się jednakowym mechanizmem pobierania energii – należące do zespołów, które pełnią funkcje różnych ogniw łańcucha pokarmowego i znajdują się na różnych piętrach piramid ekologicznych , np. producenci , roślinożercy ( konsumenci I stopnia), mięsożercy (konsumenci II stopnia i wyższych), reducenci (destruenci, detrytusożercy ),
• wyodrębnione elementy biosfery , np. atmosfera , powierzchnia lądów , hydrosfera ,
• cała biosfera Ziemi, wymieniająca energię i materię z otoczeniem kosmicznym i z głębszymi warstwami płaszcza i jądrem Ziemi .

Gdy analizowanym układem termodynamicznym jest pojedynczy organizm, wykresy zawierają informacje o źródłach pobieranej energii i o sposobach jej zwracania do otoczenia (element autekologii ). Producenci wykorzystują strumień energii promieniowania słonecznego ( fotosynteza ) oraz mniejszy strumień energii cieplnej gleby (wyjątkiem są producenci ekosystemów głębinowych , korzystający głównie z energii wiązań chemicznych w związkach nieorganicznych ). Konsumenci pobierają energię w formie pożywienia, mniej lub bardziej kalorycznego . Energia pobierana przez organizmy jest zmieniana np. w energię kinetyczną ich ruchu lub oddawana do otoczenia w formie biomasy i na sposób ciepła . Wykresy Sankeya, sporządzane np. dla konsumentów I stopnia ( roślinożercy) i konsumentów II stopnia ( mięsożerców ), ilustrują np. różne udziały energii zawartej w detrytusie (np. przekazywanej destruentom w formie odchodów). Pozwalają stwierdzić m.in., że względne udziały wydzielanego ciepła i energii wykorzystywanej na ruch są w obu przypadkach podobne (np. energetyczny wydatek drapieżnika i ofiary w czasie polowania).

Przykładami wykresów Sankeya, które dotyczą większych systemów, są niektóre graficzne ilustracje obiegu materii w przyrodzie , dotyczące określonych ekosystemów lub biomów albo całego globu ( cykle biogeochemiczne , m.in. obieg azotu , węgla , siarki , wody , fosforu , np. obieg fosforu w wodzie ).

Obieg energii w skali globalnej

Bilans energii w dużej skali

Uproszczony bilans energetyczny Ziemi
(na podstawie pracy Kiehla i Trenbertha z 1997)

 

Wykresy Sankeya są popularną metodą ilustrowania przyczyn globalnego ocieplenia . Przyjmuje się, że strumień energii docierającej do Ziemi (energia promieniowania słonecznego) powinien być równy energii promieniowania Ziemi ( widmo promieniowania przesunięte w kierunku podczerwieni ). Wzrost zawartości w ziemskiej atmosferze związków silnie absorbujących promieniowanie podczerwone ( para wodna , dwutlenek węgla i inne) zaburza równowagę w biosferze i prowadzi do wzrostu średniej temperatury i związanych z tym zmian klimatu . Możliwości przeciwdziałania tym efektom są analizowane z uwzględnieniem wielkości energetycznych zasobów Ziemi i zapotrzebowania na energię w skali państw i skali globalnej. Wyniki takich analiz złożonych systemów zaopatrzenia w energię są często przedstawiane również w formie wykresów Sankeya.

Diagram Ishikawy

Zasada wykresów Sankeya jest wykorzystywana w czasie bilansowania potencjalnych przyczyn zdarzeń (np. wystąpienia wad produkowanego wyrobu ). Klasyczne wykresy Ishikawy (diagramy przyczyn i skutków, ang. cause and effect diagram), znane też jako „diagramy rybiej ości” lub drzewa błędów, są przekształcane w tzw. wykresy zbilansowane Sankeya, jeżeli można określić prawdopodobieństwo wystąpienia poszczególnych przyczyn wystąpienia wad.

Przypisy

ʎ̩